In un importante progresso nella nanomedicina, Scienziati dell'Arizona State University (ASU), in collaborazione con ricercatori del National Center for Nanoscience and Technology (NCNST), dell'Accademia cinese delle scienze, hanno programmato con successo i nanorobot per ridurre i tumori interrompendo l'afflusso di sangue.

"Abbiamo sviluppato il primo completamente autonomo, Sistema robotico a DNA per una progettazione farmacologica molto precisa e una terapia antitumorale mirata, " ha detto Hao Yan, direttore del Center for Molecular Design and Biomimetics dell'ASU Biodesign Institute e il Milton Glick Professor presso la School of Molecular Sciences.

"Inoltre, questa tecnologia è una strategia che può essere utilizzata per molti tipi di cancro, poiché tutti i vasi sanguigni solidi che alimentano il tumore sono essenzialmente gli stessi, " ha detto Yan.

La dimostrazione di successo della tecnologia, il primo studio nel suo genere sui mammiferi che utilizzano il cancro al seno, melanoma, modelli murini di cancro ovarico e polmonare, è stato pubblicato sulla rivista Biotecnologie naturali .

Cerca e distruggi

Yan è un esperto nel campo degli origami del DNA, che negli ultimi due decenni, ha sviluppato una produzione su scala atomica per costruire strutture sempre più complesse.

I mattoni per costruire le loro strutture provengono dal DNA, che può auto-ripiegarsi in tutti i tipi di forme e dimensioni, tutto in una scala mille volte più piccola della larghezza di un capello umano, nella speranza di rivoluzionare un giorno l'informatica, elettronica e medicina.

Quel giorno potrebbe arrivare un po' più velocemente del previsto.

La nanomedicina è una nuova branca della medicina che cerca di combinare la promessa della nanotecnologia per aprire strade completamente nuove per i trattamenti, come fare minuscoli, nanoparticelle di dimensioni molecolari per diagnosticare e curare malattie difficili, soprattutto il cancro.

Fino ad ora, la sfida al progresso della nanomedicina è stata difficile perché gli scienziati volevano progettare, costruire e controllare attentamente i nanorobot per cercare e distruggere attivamente i tumori cancerosi, senza danneggiare le cellule sane.

Il team internazionale di ricercatori ha superato questo problema utilizzando una strategia apparentemente semplice per cercare in modo molto selettivo e far morire di fame un tumore.

Questo lavoro è stato avviato circa 5 anni fa. I ricercatori dell'NCNST volevano innanzitutto interrompere in modo specifico l'afflusso di sangue al tumore inducendo la coagulazione del sangue con un'elevata efficacia terapeutica e profili di sicurezza in più tumori solidi utilizzando nanocarrier a base di DNA. L'esperienza del Prof. Hao Yan ha aggiornato il design della nanomedicina per renderlo un sistema robotico completamente programmabile, in grado di svolgere da solo la sua missione.

"Questi nanorobot possono essere programmati per trasportare carichi molecolari e causare blocchi dell'afflusso di sangue al tumore in loco, che può portare alla morte dei tessuti e ridurre il tumore, " disse Baoquan Ding, un professore all'NCNST, con sede a Pechino, Cina.

Nanorobot in soccorso

Per svolgere il loro studio, gli scienziati hanno approfittato di un noto modello di tumore murino, dove le cellule tumorali umane vengono iniettate in un topo per indurre una crescita tumorale aggressiva.

Una volta che il tumore stava crescendo, i nanorobot sono stati schierati per venire in soccorso.

Ogni nanorobot è costituito da un piatto, foglio di origami di DNA rettangolare, 90 nanometri per 60 nanometri di dimensione. Un enzima chiave per la coagulazione del sangue, chiamato trombina, è attaccato alla superficie.

La trombina può bloccare il flusso sanguigno del tumore coagulando il sangue all'interno dei vasi che alimentano la crescita del tumore, provocando una sorta di mini-infarto tumorale, e portando alla morte del tessuto tumorale.

Primo, una media di quattro molecole di trombina era attaccata a un'impalcatura piatta del DNA. Prossimo, il foglio piatto era piegato su se stesso come un foglio di carta in un cerchio per formare un tubo cavo.

Sono stati iniettati con una flebo in un topo, poi viaggiato attraverso il flusso sanguigno, puntare sui tumori.

La chiave per programmare un nanorobot che attacca solo una cellula cancerosa era includere uno speciale carico utile sulla sua superficie, chiamato aptamero del DNA. L'aptamero del DNA potrebbe mirare specificamente a una proteina, chiamato nucleolina, che è prodotto in quantità elevate solo sulla superficie delle cellule endoteliali tumorali e non si trova sulla superficie delle cellule sane.

Una volta legato alla superficie del vaso sanguigno tumorale, il nanorobot è stato programmato, come il famigerato cavallo di Troia, per consegnare il suo ignaro carico di farmaci nel cuore del tumore, esponendo un enzima chiamato trombina che è la chiave per la coagulazione del sangue.

I nanorobot hanno funzionato velocemente, riunirsi in gran numero per circondare rapidamente il tumore poche ore dopo l'iniezione.

Design sicuro e sano

Innanzitutto, il team ha dimostrato che i nanorobot erano sicuri ed efficaci nel ridurre i tumori.

"Il nanorobot si è dimostrato sicuro e immunologicamente inerte per l'uso in topi normali e, anche nei maialini di Bama, che non mostra cambiamenti rilevabili nella normale coagulazione del sangue o nella morfologia cellulare, " disse Yuliang Zhao, anche professore all'NCNST e scienziato capo del team collaborativo internazionale.

Più importante, non c'erano prove che i nanorobot si diffondessero nel cervello dove avrebbero potuto causare effetti collaterali indesiderati, come un ictus.

"I nanorobot sono decisamente sicuri nei normali tessuti di topi e animali di grossa taglia, " disse Guangjun Nie, un altro professore al NCNST e un membro chiave del team collaborativo.

Il trattamento ha bloccato l'afflusso di sangue al tumore e ha generato danni al tessuto tumorale entro 24 ore senza avere alcun effetto sui tessuti sani. Dopo aver attaccato i tumori, la maggior parte dei nanorobot è stata eliminata e degradata dal corpo dopo 24 ore.

Entro due giorni, c'era evidenza di trombosi avanzata, e 3 giorni, sono stati osservati trombi in tutti i vasi tumorali.

La chiave è attivare la trombina solo quando è all'interno dei vasi sanguigni del tumore. Anche, nel modello murino melanoma, 3 topi su 8 che hanno ricevuto la terapia con nanorobot hanno mostrato una regressione completa dei tumori. Il tempo di sopravvivenza mediano è più che raddoppiato, che va da 20,5 a 45 giorni.

Hanno anche provato il loro sistema in un test su un modello di cancro polmonare primario di topo, che imita il decorso clinico umano dei pazienti con cancro del polmone. Hanno mostrato un restringimento dei tessuti tumorali dopo un trattamento di 2 settimane.

La scienza del piccolissimo diventa grande

Per Yan, l'importante pietra miliare dello studio rappresenta la fine dell'inizio per la nanomedicina.

"Il nanorobot a DNA per la somministrazione di trombina costituisce un importante progresso nell'applicazione della nanotecnologia del DNA per la terapia del cancro, " ha detto Yan. "In un modello di topo melanoma, il nanorobot non solo ha colpito il tumore primario ma ha anche impedito la formazione di metastasi, mostrando un potenziale terapeutico promettente".

Yan e i suoi collaboratori stanno ora cercando attivamente partner clinici per sviluppare ulteriormente questa tecnologia.

"Penso che siamo molto più vicini alla realtà, applicazioni mediche pratiche della tecnologia, " ha detto Yan. "Le combinazioni di diversi nanorobot progettati razionalmente che trasportano vari agenti possono aiutare a raggiungere l'obiettivo finale della ricerca sul cancro:l'eradicazione dei tumori solidi e delle metastasi vascolarizzate. Per di più, l'attuale strategia può essere sviluppata come piattaforma di somministrazione di farmaci per il trattamento di altre malattie modificando la geometria delle nanostrutture, i gruppi bersaglio e i carichi caricati."